(57)【要約】【課題】金属圧延ロール表面に高精度な凸パターンを形成するレーザダル加工装置及び加工方法を提供すること。【解決手段】レーザ発振器を用いて、回転する圧延ロールに対し該加工ヘッドをロール軸方向に移動しながら該圧延ロール表面に圧延ロール表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、該ロール表面に金属粉末を溶解したペーストを均一の厚みでロールに塗布した後、またはロール加工表面付近に一定量の金属粉末を吹き付けるながら、パルスレーザを照射する事により、ロール表面に微細な凸形状を形成するロール加工装置および方法。【選択図】        図１
2005007448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から出力されるレーザ光を加工ヘッドへ伝送し、前記加工ヘッドにてレーザ光を集光し、回転する金属圧延ロールの表面にレーザ光を照射するとともに、前記加工ヘッドをロール軸方向に移動させ、前記金属圧延ロールの表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、前記金属ロールの表面に金属粉末を溶解したペーストを塗布する塗布装置を備え、レーザ光を照射する事により金属ロールの表面に塗布した金属粉末を溶融して、金属ロールの表面に微小な凸パターンを溶着形成する事を特徴とするロール加工装置。
【請求項２】
レーザ発振器から出力されるレーザ光を加工ヘッドへ伝送し、前記加工ヘッドで回転する金属圧延ロールの表面に集光して照射するとともに、前記加工ヘッドをロール軸方向に移動させ、前記金属圧延ロールの表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、前記金属圧延ロールの表面に先端から一定量の金属粉末を吹き付ける金属粉末噴出ノズルを備え、レーザ光を照射する事により金属ロールの表面に吹き付けた金属粉末を溶融して金属ロールの表面に微小な凸パターンを溶着形成する事を特徴とするロール加工装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のロール加工装置において、レーザ光を金属圧延ロールの表面に集光する集光光学系が、ビーム操作用ミラーと、ｆθレンズにより構成されることを特徴とするロール加工装置。
【請求項４】
請求項１または請求項３に記載のロール加工装置を用いて、前記金属圧延ロール表面に予め前記金属粉末ペーストを塗布した後、前記金属圧延ロール表面にレーザ光を照射し、前記ペースト中の金属粉末を前記金属圧延ロールの表面に溶着させることにより、前記金属圧延ロールの表面に微小な凸パターンを形成する事を特徴とするロール加工方法。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載のロール加工装置を用いて、前記金属圧延ロールの表面に前記射出ノズルにより吹き付けられた金属粉末にレーザ光を照射し、金属粉末を前記金属圧延ロールの表面に溶着させる事により、前記金属圧延ロールの表面に微小な凸パターンを形成することを特徴とするロール加工方法。
【請求項６】
前記金属粉末がクロムの粉末である事を特徴とする請求項４または請求項５に記載のロール加工方法。
【請求項７】
請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載のロール加工方法を用いて加工した表面に微細な凸パターンを有する金属圧延ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器にて、金属圧延ロール表面に微細凸パターンを形成するダル加工を行うロール加工装置およびそれを用いたロール加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１などにより、鋼板のプレス加工性を向上させる方法として鋼板上に微小な凹パターンを高密度で形成し、凹部による油溜り効果にてプレス時の鋼板表面の滑りを確保する方法が開示されている。鋼板への具体的な凹パターン付与方法としては、圧延ロール表面の微細パターンを圧延時に鋼板表面に転写する方法が広く用いられる。圧延ロール表面の微細パターンの形成方法としては、ショットダル法、放電ダル法、エッチングを用いた方法、レーザダル法などがある。
【０００３】
ショットダル法、放電ダル法はロール表面の微細パターン形成についての制御性に乏しく、鋼板のプレス加工性を向上させるために必要な凹パターン転写を実現するロール表面パターンを造り込む事は不可能である。また、凹パターンの大きさも数１００μｍ程度と大きなものとなり、転写させた凹パターンにより、鋼板表面の平坦度を悪化させ、外観品質を著しく損なうという欠点が存在する。エッチング法によれば、高精度な微細パターン形成が可能であるが、工程が複雑で加工費用が高くなる問題がある。
【０００４】
レーザ加工により圧延ロール表面に微細パターンを形成する発明としては、特許文献２に開示されている様に、レーザ照射部に溶融金属を環状に盛り上げたクレーター痕を形成する方法がある。該発明はロール表面に形成された該クレーター痕を鋼板に転写させる事により、鋼板上に環状の凹パターンを形成する事で油溜まり部を形成させ、プレス加工性の向上を狙ったものである。しかし、クレーターによる凹パターンの形成のため、凹部の密度に制約が発生し、プレス加工性を向上させるに必要な高密度の凹パターンを形成する事ができない。また、レーザ照射部に均一な環状のクレーター部を形成するには、複雑な加工条件および加工光学系を必要とし装置費用が多大なものとなる。
【０００５】
また特許文献３には、レーザ加工とＣｒメッキを組み合わせてロール表面に微小突起を形成する方法が開示されている。該発明によれば微小な凹パターンを鋼板表面に転写形成する事が可能であるが、一旦ロール表面に樹脂皮膜を形成し、該樹脂皮膜をレーザ照射により局所的に除去した部分にＣｒメッキを行い、その後、残存する樹脂皮膜を除去する必要があり、工程が複雑でロール加工の為に多大な時間と費用が発生する問題がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−６９００６号公報
【特許文献２】
特公平３−２７３１３号公報
【特許文献３】
特公平６−３５６７６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決し、圧延ロール表面に高精度な凸パターンを形成するレーザダル加工装置および加工方法を提供する事を目的とする。本発明の装置により加工したロールを用いて鋼板を圧延する事により、鋼板表面に微細かつ高密度の凹パターンを転写させ、該圧延鋼板のプレス加工性を向上させる事を可能とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、
レーザ発振器から出力されるレーザ光を加工ヘッドへ伝送し、前記加工ヘッドにてレーザ光を集光し、回転する金属圧延ロールの表面にレーザ光を照射するとともに、前記加工ヘッドをロール軸方向に移動させ、前記金属圧延ロールの表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、前記金属ロールの表面に金属粉末を溶解したペーストを塗布する塗布装置を備え、レーザ光を照射する事により金属ロールの表面に塗布した金属粉末を溶融して、金属ロールの表面に微小な凸パターンを溶着形成する事を特徴とするロール加工装置、または、
レーザ発振器から出力されるレーザ光を加工ヘッドへ伝送し、前記加工ヘッドで回転する金属圧延ロールの表面に集光して照射するとともに、前記加工ヘッドをロール軸方向に移動させ、前記金属圧延ロールの表面に微小な凹凸模様を形成するロール加工装置において、前記金属圧延ロールの表面に先端から一定量の金属粉末を吹き付ける金属粉末噴出ノズルを備え、レーザ光を照射する事により金属ロールの表面に吹き付けた金属粉末を溶融して金属ロールの表面に微小な凸パターンを溶着形成する事を特徴とするロール加工装置と、
上記のロール加工装置において、レーザ光を金属圧延ロールの表面に集光する集光光学系が、ビーム操作用ミラーと、ｆθレンズにより構成されることを特徴とするロール加工装置であり、
上記のロール加工装置を用いて、前記金属圧延ロール表面に予め前記金属粉末ペーストを塗布した後、前記金属圧延ロール表面にレーザ光を照射し、前記ペースト中の金属粉末を前記金属圧延ロールの表面に溶着させることにより、前記金属圧延ロールの表面に微小な凸パターンを形成する事を特徴とするロール加工方法と、
上記のロール加工装置を用いて、前記金属圧延ロールの表面に前記射出ノズルにより吹き付けられた金属粉末にレーザ光を照射し、金属粉末を前記金属圧延ロールの表面に溶着させる事により、前記金属圧延ロールの表面に微小な凸パターンを形成することを特徴とするロール加工方法と、
上記金属粉末がクロムの粉末である事を特徴とするロール加工方法であり、上記に記載のいずれかのロール加工方法を用いて加工した表面に微細な凸パターンを有する金属圧延ロールである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の装置の模式図である。圧延ロールの加工装置は、レーザ発振器１、レーザ集光用の加工ヘッド２、ロール表面に金属粉ペーストを塗布する塗布装置３あるいは、図３に記載のロール表面に金属粉末を噴射する噴射ノズル４、前記加工ヘッドおよび塗布装置あるいは金属粉末噴射ノズルを搭載した加工テーブル５、ロール回転装置６により構成される。加工テーブル５は、横行テーブルＴＸ、ＴＹと、焦点調整用の上下テーブルＴＺから成る。
【００１０】
ロール回転装置６により圧延ロール７を回転させながら、横行テーブルＴＸによりロール軸方向に加工ヘッド２を移動させながらレーザ光ＬＢをロール表面に照射する事でロール表面全面に亘りレーザ加工が行われる。加工ヘッド２は上下テーブルＴＺ上に設置される。上下テーブルＴＺの位置は、ロール表面との距離を測定するセンサー（図示しない）の測定値に基づき自動制御され、ロール加工中は常に最適焦点距離が保持される。
【００１１】
図２は、図１のロール加工部付近を拡大し図示したものである。金属粉末ペーストの塗布装置３は、加工ヘッド２に先行する位置に設置され、一定厚みの金属粉末ペースト層ＭＰＰをロール表面に塗布する（図中Ａ領域）。塗布装置３は、先端からペーストを定速で送給するノズル３１と、送給されたペーストを圧延ロール表面で均一厚みになる様に延ばすスクレーパー板３２からなる。金属粉末は揮発性の溶剤中に混合し、霧状の状態でロール表面にスプレー塗布しても良い。スクレーパー板とロール表面のギャップを調整する事で、ペースト膜厚を変更する事ができる。その後、加工ヘッド２から照射されたパルスレーザ光ＬＢにより、ペースト中の金属粉末を溶融しロール表面に付着させ、微細な凸パターンを形成する。圧延ロール表面に均一厚でペーストを塗布する事により、レーザ照射時に均一な高さの溶融凸パターンが形成され、鋼板圧延時に鋼板に転写形成される凹パターンの深さが均一になり、加工性を安定させる事が出来るとともに、鮮映性などの外観品質の優れた鋼板を製造する事ができる。
図２中領域Ｂは、レーザ照射完了部である。図２中のＣはロール表面を拡大図示したものである。図２では金属粉末ペーストとレーザ照射を同時に行う構成となっているが、ロール表面への金属粉末ペーストの塗布は別工程で実行し、その後レーザ照射処理を実施しても良い。
【００１２】
図３は、本発明の金属粉末を噴射する形式の加工装置について、レーザ加工部付近を図示した図である。金属粉末噴射ノズル４からは金属粉末ＭＰがロール表面のレーザ照射部付近に定速度（一定重量ｇ／ｓｅｃ）で噴射される。噴射された金属粉末は加工ヘッド２から照射されたレーザ光ＬＢにより溶融しロール表面に付着し、ロール表面に微細な凸パターンＤを形成する。
【００１３】
図４は、本発明のレーザ光走査光学系付近を図示したものである。レーザ光ＬＢは走査用ミラー８で反射された後、ｆθレンズ９にてロール表面に集光される。金属粉末噴射装置４は、ロール表面のレーザ走査領域全体をカバーする範囲に金属粉末ＭＰを定速度（一定重量ｇ／ｓｅｃ）で噴射する。噴射された金属粉末は加工ヘッドから照射されたレーザ光ＬＢにより溶融し、ロール表面に付着し、ロール表面に微細な凸パターンＤを形成する。走査用ミラー８には、ガルバノミラーあるいは、ポリゴンミラーを用いる事ができる。本構成によりビームを走査しながらロール加工を実施する事で、ロール加工処理速度を向上させる事ができる。また、レーザ光走査時に発生する焦点位置変化を抑制するため、集光レンズにはｆθレンズを使用する事が望ましい。
金属粉末の噴射を一定速度とするのは、ロール表面に形成される凸パターンの密度を均一にするためである。これにより圧延鋼板表面に転写形成される凹パターンの密度が均一になり、外観品質、加工特性のバラツキのない良好な鋼板が製造できる。
【００１４】
本発明に使用する金属粉末のサイズとしては、２００μｍ以下の粒径のものが好ましく、均一な径の金属粉末とする事が望ましい。また、ペースト状あるいは霧状にロール表面に塗布する場合、塗膜厚みを５μｍ〜２００μｍ程度にする事が望ましい。金属粉末膜の塗膜厚を５μｍ以上とするのは、レーザ照射により、金属粉末がロール表面に溶着して形成される凸形状の高さが３μｍ以上でないと、圧延鋼板に転写される凹形状の深さが浅くなり、プレス加工特性の向上効果が得られないためである。また、金属粉末の粒径および金属粉末膜の塗膜厚を２００μｍ以下としたのは、金属粉末のサイズが大きくなる、あるいは塗膜厚があついと、レーザにより溶融させるために時間が掛かりロール加工時間が長時間になるとともに、ロール表面に形成される凸形状のサイズが大きくなるため、本ロールで圧延した圧延鋼板の鮮映性など外観特性に悪影響を及ぼすからである。また、金属粉末の径がバラバラであると、ノズルから噴射される金属粉末量の制御が困難になる事に加え、圧延ロール表面に形成される微小凸パターン形状（高さ、径）のバラツキが大きくなり、鋼板圧延時に鋼板表面に転写形成される凹パターンがバラツキ、外観および加工特性のバラツキなど品質を劣化させる事になる。
また金属粉末としてクロム粉末を使用すると、圧延時の耐摩耗性が向上し、圧延寿命が延びてロールコストを削減する効果が得られる。
【００１５】
本発明の装置により加工したロールにて圧延した鋼板表面には、ロール表面に形成された微細凸形状が転写され、平坦表面の中に離散的な窪み（凹形状）が形成される。このようにして得られた鋼板は、プレス成形時に、凹部に潤滑油を蓄える特性を有し、高い摩擦軽減効果をもたらし優れたプレス特性を発揮する。
【００１６】
【実施例】
［実施例１］
図１に図示した本発明のロール加工装置にて、金属粉末ペースト塗布装置により、ロール表面に３０μｍの塗布厚みでペースト膜を塗布した。粒径２０μｍのクロム粉末を、５０％（重量比）混合したものを用いた。
金属粉末ペーストを塗布したロール表面に、加工ヘッドよりパルスＹＡＧレーザを照射し圧延ロール全面の加工を実施した。パルスレーザは繰り返し周波数５ｋＨｚ、パルスエネルギー１０ｍＪ／ｐ、集光径３０μｍの条件とした。その結果、クロム粉末の溶着によりロール表面に平均直径２５μｍ、平均高さ１０μｍ、間隔８０μｍの島状の凸パターンを形成した。レーザ照射後、ロール表面に残る未溶融の金属粉末ペーストは、水洗ブラシにより除去した。
該ロールを用い、厚さ０．８ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板を圧下率１％でスキンパス圧延を実施したところ、鋼板表面にはロール上の凸パターンが転写された平均直径２５μｍ、平均深さ８μｍの凹テクスチャーが間隔８０μｍにて形成された。
【００１７】
［実施例２］
図４に図示した本発明のロール加工装置にて、金属粉末噴射ノズルから、粒径２０μｍのクロム粉末をレーザ照射部付近に噴射しながらロール全面の加工を実施した。パルスレーザは繰り返し周波数５ｋＨｚ、パルスエネルギー１０ｍＪ／ｐ、集光径３０μｍの条件とした。その結果、クロム粉末の溶着によりロール表面に平均直径２５μｍ、平均高さ１０μｍ、間隔８０μｍの島状の凸パターンを形成した。ロール表面に残存する未溶融の金属粉末はブラシおよびエアー噴射により除去した。該ロールを用い、厚さ０．８ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板を圧下率１％でスキンパス圧延を実施したところ、鋼板表面にはロール上の凸パターンが転写された平均直径２５μｍ、平均深さ８μｍの凹テクスチャーが間隔８０μｍにて形成された。
【００１８】
なお、実施例では加工用レーザとして、ＹＡＧレーザを使用したが、本発明に必要とするレーザはＹＡＧレーザに限るものではない。炭酸ガスレーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザなど金属製品の加工に十分な出力を有するレーザであれば、本発明に使用する事は可能である。また、本発明の図ではレーザ発振器から加工ヘッドまで、レーザ光をミラー伝送しているが、ＹＡＧレーザや半導体レーザを使用する場合、光ファイバーによりレーザ光を伝送しても良い。
【００１９】
また、実施例ではパルスレーザを使用したのは、圧延ロール表面に形成する微小凸パターンのピッチをより精密に制御可能であるとの特性を持つからである。連続出力レーザを使用しても本発明の実施は可能であるが、この場合、連続的にレーザ照射が行われるため、微小凸パターンの形成ピッチを制御するには、圧延ロール表面に存在する金属粉末を数十μｍで制御する必要が生じる。一方、パルスレーザを使用する場合には、圧延ロール表面にほぼ隙間なく金属粉末を塗布しておけば、金属粉末の溶融をレーザ出力の周波数により簡単に制御可能であり、したがって圧延ロール表面に溶着形成する微小パターンのピッチを簡易に制御できる。
【００２０】
以下、上記実施例で製作した鋼板のプレス加工性評価の結果について説明する。評価に用いた鋼板の仕様を表１に示す。なお、凹部の面積と深さは、レーザー式３次元顕微鏡画像より、画像処理にて算出し、凹部以外のＲａ、ＰＰＩ、Ｗｃａは、前述のレーザー式３次元顕微鏡にて凹部を通過しない計測線を選択してＪＩＳ  Ｂ  ０６０１に準じて算出した。成形性の評価方法として、円錐台絞り成形試験を実施した。
【００２１】
【表１】
2005007448.tif 000003
【００２２】
円錐台絞り成形試験は、図５に示すプレス成形を行い、ブランク押さえ圧を変化させてプレス材を観察することで、シワ発生しない最低ＢＨＦと、ワレ発生しない最高ＢＨＦを求めた。なお、プレス前のブランク径は２００ｍｍφ、ダイス径１４０ｍｍφ、ダイス肩Ｒ１０ｍｍ、ポンチ径８０ｍｍφ、ポンチ肩Ｒ１０ｍｍ、潤滑油として出光Ｚ３を塗布し、成形高さは４５ｍｍとした。
円錐台絞り成型試験による成形性の評価結果は表２のとおりである。実施例１〜２は、比較例１〜２に対して成型可能範囲が拡大しており、本発明のロールを使用する事により鋼板の加工特性が向上する事を示している。
【００２３】
【表２】
2005007448.tif 000004
【００２４】
【発明の効果】
本発明のロール加工装置及び加工方法により、圧延ロール表面に高精度な微小凸テクスチャーを形成する事ができる。該ロールを用いて鋼板を圧延する事で、鋼板表面に微小凹テクスチャーを形成し、プレス成型時のワレやかじりを抑制し、かつ、プレス成型時の板押さえ圧変更の必要性が少ない、成形性良好な金属板を製造する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加工装置の構成図である。
【図２】本発明請求項１に記載の加工装置の加工点付近の拡大図である。
【図３】本発明請求項３に記載の加工装置の加工点付近の拡大図である。
【図４】本発明請求項５に記載の加工装置の加工点付近の拡大図である。
【図５】実施例２に記載の円錐台絞り成型試験の説明図である。
【符号の説明】
１：レーザ発振器                    ２：加工ヘッド
３：塗布装置                        ４：噴射ノズル
５：加工テーブル                    ６：ロール回転装置
７：ロール                          ８：走査用ミラー
９：ｆθレンズ                      １０：レーザ伝送ミラー
ＬＢ：レーザ光                      ＭＰＰ：金属粉末ペースト
ＭＰ：金属粉末
【図１】
2005007448.tif 000005
【図２】
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【図３】
2005007448.tif 000007
【図４】
2005007448.tif 000008
【図５】
2005007448.tif 000009